搅拌桩长墙连拱联合梅花形布置在复合地基加固中的应用

吴 俊 张桂萍 章启兵

一、工程概况和地质情况

金湖站为南水北调东线一期工程第二个梯级泵站，工程等级为Ⅰ等，泵站规模为大（Ⅰ）型，位于江苏省金湖县银集镇境内、三河拦河坝下的金宝航道输水线上。工程主要任务是通过与下级洪泽站联合运行，由金宝航道、入江水道三河段向洪泽湖调水150m3/s，并结合宝应湖地区排涝。金湖泵站设计流量150m3/s，安装灯泡贯流泵5台套（含备机1台套）。泵站底板地面高程-3.35～-2.10m，上游引河设计堤顶高程15.0m，下游引河设计堤顶高程9.5m，上下河底高程分别为4.5m和1.5m。

上游段场地高程6.5m，上覆土层A层为杂填土，层厚1.5m左右，工程性质一般；下卧层1-1为淤泥质粉质粘土，层厚2～3m，含水量较大，强度低，压缩性高；1-1层以下土层工程性质较好，待处理淤泥质土层主要分布于标高5.0～2.0之间。

二、主要问题

1.整体稳定性问题

上游迎水坡坡高10.5m，北侧背水坡坡高7.7m，南侧背水坡坡高7.4m。迎水坡施工期整体安全稳定安全系数为0.94，背水坡施工期整体稳定安全系数为1.14，按照规范规定，一级堤防允许抗滑安全系数为1.2，不能满足要求，所以该处堤防要进行地基加固处理。

2.搅拌桩弯折问题

桩基水平承载能力不但与桩体刚度和强度有关，而且与地基土的力学性质有关。当地基上部土层较硬，桩顶位移小，桩体可承受较大水平荷载，当地基上部土层较弱，桩顶在水平荷载作用下可产生较大位移，从而使桩体承受很大的弯矩，发生弯折后水平承载力就会丧失，该工程搅拌桩布置情况属于后者，其水平承载力很弱。

3.单桩施工成桩质量

搅拌桩单桩施工过程由于喷浆受到土层变异性、施工工艺等因素影响容易出现欠喷、欠搅缺陷从而形成劣质夹层，对桩体竖向承载力影响较小，但是对水平承载力造成严重削弱，若软土层与硬土层交界面附近存在劣质夹层，则该桩体抗剪能力完全丧失。

4.坝头端堤身稳定问题

由于上游堤填筑需要破原老堤身并连接，而原老堤是填筑于40年前，其间经过多次加固修复才趋稳定的。重新开挖后，老堤防下覆深厚软土迎水面暴露，原堤身整体性遭到破损，如何保证坝头部分的施工稳定，主要是后期运营期稳定，将是一个十分突出重要的问题。

三、处理方案

1.原设计处理方案

为了提高堤身下部软土层复合地基承载力，控制堤身沉降变形并考虑堤身的抗滑稳定，原设计采用桩径为600mm水泥搅拌桩梅花形布置进行软土地基加固，外排和内排置换率分别为0.196和0.11。

桩基水平承载能力不但与桩体刚度和强度有关，而且与地基土的力学性质有关。本工程上游堤防上部土层较弱，桩顶在水平荷载作用下可产生较大位移，从而使桩体承受很大弯矩，发生弯折后其水平承载力就会丧失。该工程搅拌桩在穿透杂土层及淤泥质粉质粘土层进入粉质粘土层后，由于桩体具有悬臂效应，在受到水平荷载作用时桩体在土层交界面处受到显著弯折作用，取搅拌桩设计强度1.0MPa，考虑桩体水平承载力特性，取搅拌桩水平抗剪能力为设计抗压强度乘以系数，即1000×0.06=60kPa，软土层抗剪强度乘以0.7折减系数与搅拌桩换算为地基复合强度，迎水坡施工整体稳定安全系数为1.13，背水坡施工期整体稳定安全系数为1.35，采用该方案搅拌桩水平承载力存在高估的风险。

2.实际采用处理方案

为确保工程施工质量，经各方论证采用搅拌桩长墙连拱方案加固边坡软基。在迎水坡布置12m长搅拌桩长墙连拱，采用变截面连续墙，墙端采用横墙联系；背水坡布置9m长搅拌桩长墙连拱；在两者之间打设梅花形布置搅拌桩形成复合地基，间距2.0～2.5m渐变布置，桩径Ф800。该方案能够充分发挥结构抗滑能力，同时该结构型式水平截面抗弯能力大，基本不存在弯折问题。布置形式见图1。

（1）搅拌桩长墙连拱型式结构抗滑机制

水泥土拱通过拱作用将堤体一部分拱外水平推力（土压力）传递到水泥土长墙，另外一部分水平推力直接传递到拱内土体中（拱内土体主要为软土）；

水泥土长墙通过侧壁接触抗剪能力将一部分水平推力传递到墙内土体；

长墙内软弱土层最终将其承受的水平推力传递到下部硬土层和长墙外侧土体；

水泥土长墙插入硬土层部分主要通过侧壁和墙底将一部分水平推力传递至下部硬土层。

（2）方案的优点

充分发挥搅拌桩连续墙、下卧硬土层水平抗滑能力，搅拌桩抗剪强度可充分利用，变截面连续墙可改善拱墙应力分布；施工过程成桩质量对连续墙整体性影响较小，对复合地基竖向承载力影响也小；复合地基承载力显著提高，布桩间距较大，软土可进一步固结以提高强度；能够显著控制软土层压缩量；软土层能得到一定程度固结并提高边坡安全性。

（3）方案要点与建议

①搅拌桩进入硬土层深度不小于2m；

②坝头部位采用该方案迎水坡构造型式，但加固深度和加固长度应根据软土层深度按比例调整；

③连拱桩墙与坝头部分连成整体，同时迎水坡部分延伸至泵站水池翼墙连接段，并设缝采用止水连接；

④进行水泥土配比试验和试桩以确定搅拌桩设计强度；

⑤加强软土层与硬土层交界面2m范围水泥土施工质量以提高可靠性。

四、实施方案整体稳定性验算

长墙连拱搅拌桩设计强度为1.0MPa，稳定计算时搅拌桩抗剪强度取200kPa（按照极限强度τmax乘以0.4折减系数），与拱内土体换算为复合强度计算；梅花形布置复合地基搅拌桩抗剪强度取60kPa，土层强度指标加权换算为复合强度计算。

施工期工况，土层强度指标采用快剪指标，软土强度按照快剪指标乘以0.7折减系数；稳定渗流工况和洪水降落工况土层强度指标均采用固快指标（见表1）。

表1 整体稳定性安全系数计算成果比较

五、结束语

搅拌桩长墙连拱联合梅花形布置处理复合地基，能够充分利用长墙连拱构造抗滑能力和搅拌桩复合地基承载力以减少地基沉降。长墙连拱结构型式能够有效传递水平推力，变截面拱墙优化了桩身应力分布，更为经济合理。该方案在今后类似水利工程复合地基处理加固施工中可以起到很好的借鉴作用